WiFi IoT temperatuuri ja niiskuse andur. Osa: 8 asjade internet, koduautomaatika: 9 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

Preambul

See artikkel dokumenteerib varasema Instructable'i praktilise vastupidavuse ja edasise arendamise: oma esimese IoT WiFi -seadme pimping. Osa 4: IoT, koduautomaatika, sealhulgas kõik vajalikud tarkvarafunktsioonid, mis võimaldavad edukat kasutuselevõttu koduses keskkonnas.

Sissejuhatus

Nagu eespool mainitud, kirjeldab see juhend juhend varasema asjade Interneti näite ühendamist usaldusväärse süsteemidisainiga, mis võimaldab edukalt käsitleda selliseid praktilisi kasutusjuhtumeid nagu; Katastroofiline voolukatkestus, MQTT Brokeri tõrge, WiFi N/W rike, anduri kaugkonfigureerimine, konfigureeritav aruandlusstrateegia võrguliikluse vähendamiseks ja kohandatud anduri kalibreerimine.

Kokku loodi 6 väljalülitatud seadet (vt joonist 1 ülal) ja levitati mu kodu ümber, et moodustada oma esimene IoT -andurivõrk.

Instructable näeb ka IQT koduautomaatika seerias kasutatud MQTT -i nimetamiskonventsiooni ülevaadet, andes võimaluse tasakaalustatumaks ja praktilisemaks struktuuriks, mis võimaldab IoT -liikluse lihtsamat silumist mitme IoT -seadme keskkonnas.

Järgnevalt on IoT -anduri täielikud disaini üksikasjad, sealhulgas; ehitus, lähtekood, testimisstrateegia ja OpenHAB -i konfiguratsioonid.

Milliseid osi ma vajan?

1. 1 soodustus ESP8266-01,
2. 2 välja 1uF elektrolüütkondensaatorit,
3. 3 10K takistit,
4. 1 välja 330R takisti,
5. 1 diameeter 3 mm. LED,
6. 1 off LD1117-33v, 3v3 LDO VReg. (Farnell siin),
7. 1 välja lülitatud DHT22 temperatuuri/niiskuse andur,
8. 1 väljalülitatud Dual 4way 0,1 "pistik,
9. 1 off CAMDENBOSS RX2008/S-5 plastkorpus, potikarp, ABS, 38 mm, 23 mm (Farnell siin),
10. 1 väljalülitatud alalisvoolu toitepistik, pistik, 1 A, 2 mm, paneelikinnitus (Farnell siin),
11. 1 off TO-220 radiaator 24,4 ° C/W (Farnell siin),
12. Erinevad termokahanevad torud (kollane, Ebay siin),
13. Erineva pikkusega IDC lintkaabel,
14. Jahutusradiaatori ühend,
15. Veroboard,
16. Programmeerimisseade ESP8266-01. Vaata siia; Praktiline vooluahela ehitus koos ribaplaadiga, alates 9. sammust.

Millist tarkvara ma vajan?

1. Arduino IDE 1.6.9
2. Arduino IDE on konfigureeritud programmeerima ESP8266-01. Vaata siia; Arduino IDE seadistamine ESP8266-01 programmeerimiseks

Milliseid tööriistu ma vajan?

1. Jootekolb,
2. Puur ja mitmesugused otsikud,
3. Failid,
4. Rauasaag,
5. Tugev pahe,
6. Soojuspüstol,
7. DMM.

Milliseid oskusi mul vaja on?

1. Elektroonika minimaalne tundmine,
2. Teadmised Arduino ja selle IDE kohta,
3. Algelised valmistamisoskused (jootmine, häkkimine, saagimine, viilimine, puurimine jne),
4. Natuke kannatust,
5. Mõningane arusaam teie koduvõrgust.

Käsitletud teemad

1. Ringkonnakohtu ülevaade
2. Tarkvara süsteemi ülevaade
3. Tarkvara ülevaade
4. Anduri kalibreerimine
5. MQTT teemade nimetamise konventsioon
6. OpenHABi konfiguratsioon
7. Disaini testimine
8. Järeldus
9. Kasutatud viited

Sarja lingid

Osa 7: Uuringutulede kontroller (ümbertöödeldud). Osa 7: IoT, koduautomaatika

Osa 9: IoT võrgukontroller. Osa 9: IoT, koduautomaatika

1. samm: ahela ülevaade

Ülaltoodud pilt 1 näitab IoT -anduri täielikku vooluringi.

IoT-seadme keskmes on ESP8266-01, mis on ühendatud DHT22 temperatuuri/niiskuse anduriga 10K tõmbetakistuse kaudu GPIO2-le. Väline 5v on ühendatud lülitusrežiimiga ja tarnitakse seadmesse 2 mm alalisvoolupaneeli pistikupesa kaudu ning seda reguleeritakse kohapeal LD1117-33v, 3v3 LDO pingeregulaatoriga, mis on kinnitatud välisele jahutusradiaatorile koos BZP M3 pannipea kruvi ja mutriga.

Kujundus sisaldab 3 mm punast LED -i, mis on ühendatud GPIO0 -ga ja mida kasutatakse IoT -seadme oleku käivitamise ajal või mis tahes järgneva tõrke korral. Seda saab kasutada ka seadme tuvastamiseks käsitsi aktiveerimise teel openHAB -liidese kaudu.

Täielik disain sobib kenasti ABS -potti, nagu on näidatud ülal joonisel 2, ja see oli spetsiaalselt ette nähtud tagamaks, et andur on regulaatorist võimalikult kaugel, et vältida kohalike küttemõjude tõttu eelarvamusi (joonis 7 ülal).

Trükkplaat on üks tükk tahvlit, lõigatud kuju järgi ja valmistatud nii, et see sobiks korpusega (joonis 3 ülal). See plaat on fikseeritud asendisse M3 süvistatud nailonkruvi ja kahe mutriga, mis sobivad ühtlaselt anduri alumise küljega, võimaldades sellel istuda tasasel pinnal.

Piltidel 4… 6 on kujutatud erinevaid ehitusseisundeid.

2. samm: Tarkvarasüsteemi ülevaade

See IoT temperatuuri ja niiskuse andur sisaldab kuut tarkvara põhikomponenti, nagu on näidatud ülaltoodud pildil 1.

SPIFFS

See on pardal olev SPI välklambisüsteem ja seda kasutatakse järgmise teabe hoidmiseks (vt pilt 2 ülal);

• Ikoonid ja „Anduri konfiguratsiooni avaleht” html: seda teenindab IoT -seade, kui see ei saa teie IoT -i WiFi -võrguga ühendust luua (tavaliselt vale turvateabe tõttu) ja pakub kasutajale anduri kaugseadistamise võimalust ilma vajaduseta SPIFFS-i sisu ümberprogrammeerimiseks või üleslaadimiseks.
• Turvateave: see hoiab teavet, mida IoT -seade kasutab teie IoT WiFi -võrgu ja MQTT -maakleriga ühenduse loomisel. „Anduri konfiguratsiooni avalehe” kaudu esitatud teave kirjutatakse sellesse faili („secvals.txt”).
• Kalibreerimisteave: selles failis sisalduvat teavet („calvals.txt”) kasutatakse vajadusel rongisisese temperatuuri/niiskuse anduri kalibreerimiseks. Kalibreerimiskonstante saab IoT -seadmesse kirjutada ainult MQTT maakleri MQTT -käskude kaudu.

Märkus. Seadme esialgseks seadistamiseks vaadake siit täielikku teavet selle kohta, kuidas kasutada SPIFFS -i koos Arduino IDE -ga.

mDNS -server

Seda funktsiooni kasutatakse siis, kui asjade Interneti -seadmel ei õnnestunud teie WiFi -võrguga WiFi -jaamana ühendust luua ja selle asemel on sellest saanud WiFi -pöörduspunkt, mis sarnaneb kodumaise WiFi -ruuteriga. Sellise ruuteri puhul ühendaksite sellega tavaliselt ühenduse, sisestades 192.168.1.1 IP -aadressi (tavaliselt trükitud kasti külge kinnitatud sildile) otse oma brauseri URL -i ribale, mille järel saate sisenemiseks sisselogimislehe kasutajanime ja parooli, et saaksite seadet konfigureerida.

ESP8266 puhul AP -režiimis (pääsupunkti režiim) on vaikeseadeks IP -aadress 192.168.4.1, kuid mDNS -serveri kasutamisel peate brauseri URL -i ribale sisestama ainult inimsõbraliku nime „SENSORSVR.local”. 'Anduri konfiguratsiooni avaleht'.

MQTT klient

MQTT klient pakub kõiki vajalikke funktsioone; ühendage oma Interneti -võrgu MQTT maakler, tellige oma valitud teemad ja avaldage antud teema jaoks kasulikud koormused. Lühidalt, see sätestab IoT põhifunktsioonid.

HTTP veebiserver

Nagu eespool mainitud, muutub IoT -seade ühenduse loomiseks WiFi -võrguga, mille SSID, P/W jne on määratletud SPIFFS -i turvateabe failis, muutub seade juurdepääsupunktiks. Kui olete pöörduspunkti pakutava WiFi -võrguga ühendatud, võimaldab HTTP -veebiserver olemasoleva seadmega otse ühenduse luua ja muuta selle konfiguratsiooni HTTP -veebibrauseri abil, mille eesmärk on teenindada andurite konfiguratsiooni avalehte Page 'veebileht, mida hoitakse ka SPIFFS -vormingus.

WiFi jaam

See funktsioon võimaldab IoT -seadmel ühenduse luua koduse WiFi -võrguga, kasutades turvateabe faili parameetreid, ilma selleta ei saa teie Interneti -seade MQTT maaklerit tellida/avaldada

WiFi pääsupunkt

Võimalus saada WiFi pääsupunktiks on vahend, mille abil IoT -seade võimaldab teil sellega ühenduse luua ja konfiguratsiooni muuta WiFi -jaama ja brauseri kaudu (näiteks Safari Apple iPadis).

See pääsupunkt edastab SSID = "SENSOR" + IoT -seadme MAC -aadressi viimased 6 numbrit. Selle suletud võrgu parooli nimi on kujutlusvõimeline "PASSWORD"

3. samm: tarkvara ülevaade

Selle lähtekoodi edukaks kompileerimiseks vajate järgmisi täiendavaid teeke;

PubSubClient.h

• Autor: Nick O'Leary
• Eesmärk: võimaldab seadmel avaldada või tellida MQTT teemasid antud maakleriga
• Siit:

DHT.h

• Autor: Adafruit
• Eesmärk: DHT temperatuuri/niiskuse anduri raamatukogu
• Alates:

Koodi ülevaade

Tarkvara kasutab olekumasinat, nagu on näidatud ülaltoodud pildil 1 (allika täielik koopia allpool). Allpool on 5 peamist olekut;

• SELLES

  See lähtestamisolek on esimene olek, mis sisestati pärast sisselülitamist

• NOCONFIG

  See olek sisestatakse, kui pärast sisselülitamist tuvastatakse kehtetu või puuduv fail secvals.txt

• Ootel NW

  See olek on ajutine, sisestatud, kui WiFi -võrguühendus puudub

• Ootel MQTT

  See olek on ajutine, sisestatakse pärast WiFi -võrguühenduse loomist ja kuigi sellel võrgul puudub ühendus MQTT maakleriga

• AKTIIVNE

  See on tavaline tööolek, mis sisestatakse pärast WiFi -võrguühenduse ja MQTT Brokeri ühenduse loomist. Just sel ajal avaldatakse anduri temperatuuri ja niiskuse funktsionaalsus MQTT maaklerile

Sündmusi, mis kontrollivad olekute vahelist üleminekut, on kirjeldatud ülaltoodud pildil 1. Üleminekuid olekute vahel reguleerivad ka järgmised SecValsi parameetrid;

• 1. MQTT maakleri IP -aadress. Täpilise kümnendkoha kujul AAA. BBB. CCC. DDD
• 2. MQTT maaklerisadam. Täisarvulisel kujul.
• 3. MQTT Brokeri ühendus üritab teha enne STA -režiimilt AP -režiimile üleminekut. Täisarvulisel kujul.
• 4. WiFi võrgu SSID. Vabas vormis tekstis.
• Viies WiFi -võrgu parool. Vabas vormis tekstis.

Nagu eespool mainitud, kui IoT -seade ei saa WiFi -jaamana WiFi -võrguga ühenduse luua, kelle SSID ja P/W on määratletud failis secvals.txt, mida hoitakse SPIFFS -is, muutub IoT -seade juurdepääsupunktiks. Kui see juurdepääsupunktiga ühendatakse, kuvab see anduri konfiguratsiooni avalehe, nagu on näidatud pildil 2 (sisestades brauseri URL -i aadressiribale kas „SENSORSVR.local” või 192.168.4.1). See koduleht võimaldab andurit HTTP -brauseri kaudu uuesti konfigureerida.

Kaugjuurdepääs aktiivse oleku ajal

Pärast MQTT Brokeriga ühendamist on võimalik seadet ka uuesti kalibreerida ja uuesti konfigureerida MQTT teemaväljaannete kaudu. Failil calvals.txt on R/W juurdepääs ja secvals.txt on ainult kirjutamisõigus.

Kasutaja silumine

Käivitusjärjestuse ajal annab IoT -seadme LED -i järgmine silumisetagasiside

• 1 Lühike välk: SPIFFS -is (secvals.txt) pole konfiguratsioonifaili
• 2 Lühikesed vilkumised: Interneti -seade üritab WiFi -võrguga ühendust luua
• Pidev valgustus: IoT -seade üritab ühendust luua MQTT Brokeriga
• Väljas: seade on aktiivne
• Märkus 1: „Anduri konfiguratsiooni avaleht” ei kasuta turvalisi pistikupesasid ja sõltub seega teie võrgu turvalisusest.
• Märkus 2: Iga IoT -seadme programmeerimiseks tuleb MQTT -stringi enne allalaadimist muuta. Seda seetõttu, et anduri number on manustatud MQTT teemastringi. st. 'WFD/THSen/100/HumdStatus/1' on minu 6 seadme jaoks nummerdatud vastavalt 1… 6.

4. samm: anduri kalibreerimine

IoT -seadme sisselülitamisel loetakse alglaadimisjärjestuse osana SPIFFS -ist fail nimega „cavals.txt”. Selle faili sisu on kalibreerimiskonstandid, nagu on näidatud ülal pildil 1. Neid kalibreerimiskonstante kasutatakse andurilt saadud näitude reguleerimiseks, et viia need võrdlusseadmega vastavusse. On veel üks väärtus, mis määratleb seadme aruandlusstrateegia ja mida kirjeldatakse allpool koos andurite kalibreerimise protseduuriga.

Aruandlusstrateegia See parameeter määrab, kuidas kaugandur teavitab kõiki kohalikke ümbritseva keskkonna parameetrimuutusi. Kui valite väärtuse 0, avaldab kaugandur kõik muutused, mida ta näeb temperatuuri või niiskuse väärtustes iga kord, kui andurit loetakse (umbes iga 10 sekundi järel). Mis tahes muu väärtus lükkab muudatuse avaldamise 1… 60 minuti võrra edasi. Selle parameetri muutmine võimaldab optimeerida MQTT võrguliiklust.

Temperatuuri kalibreerimine

Andurite kalibreerimiseks paigutati need füüsilisse lähedusse, nagu on näidatud ülaltoodud joonisel 2. Nende kõrvale asetasin DMM -i koos kalibreeritud termopaariga (Fluke 87 V) ja seejärel jälgisin iga seadme väljundit OpenHAB -temperatuuri kaudu trendilehel päeva jooksul, et saavutada hea temperatuuri kõikumine. Märkasin nii staatilist nihet (kõrgendatud null "C") kui ka iga seadme muutumiskiirust (võimendus või graafiku "M" kalle) võrreldes kalibreeritud termopaarist saadava väärtusega. Seejärel arvutasin välja lihtsa y = mx+c seose (leidsin, et see on piisavalt lineaarne, et olla ligilähedane sirgjoonelisele graafile) ja programmeerisin kõik vajalikud parandused kalibreerimiskonstantidesse MQTTSpy abil.

Seejärel jälgiti seadmeid veel 24 tundi, et tagada kalibreerimise õnnestumine. Viide sellele, millised olid temperatuurijäljed OpenHABi temperatuuritrendide lehel, olid kõik üksteise kohal.

Muidugi, kui olete huvitatud ainult temperatuuri ligikaudsetest väärtustest, võite jätta kõik kalibreerimisväärtused vaikimisi.

Niiskuse kalibreerimine

Kuna mul pole vahendeid kohaliku ümbritseva niiskuse täpseks salvestamiseks või isegi kontrollimiseks, andurite kalibreerimiseks kasutasin sarnast meetodit, nagu eespool, paigutades kõik seadmed füüsilise läheduse lähedale (joonis 2) ja lihtsalt jälgides nende väljundit OpenHAB -i kaudu Niiskuse tendentsi leht. Seejärel valisin kalibreerimisallikaks seadme nr 1 ja kalibreerisin sellega seoses kõik seadmed.

5. samm: MQTT teemade nimetamise konventsioon

Pärast palju katseid ja eksimusi otsustasin ülaltoodud pildil 1 kirjeldatud teemade nimetamise tava.

Nimelt 'AccessMethod/DeviceType/WhichDevice/Action/SubDevice'

See pole täiuslik, kuid võimaldab rakendada kasulikke filtreid, et näha kõiki parameetriväärtuste anduri väljundeid, võimaldades seega hõlpsat võrdlust, nagu ülaltoodud pildil 2, MQTTSpy -ga. Samuti toetab see mõistlikult laiendatavaid funktsionaalseid loogilisi rühmitusi antud asjade Interneti seadmes.

Nende teemade rakendamisel tarkvaras kasutasin iga seadme jaoks kõvasti kodeeritud teemastringe koos fikseeritud, manustatud numbriliste identifikaatoritega, mitte teemade dünaamiliseks genereerimiseks käitusajal, et säästa RAM -i ja hoida jõudlust kõrgel.

Märkus. Kui te pole kindel, kuidas MQTTSpy kasutada, vaadake siit 'MQTT maakleri seadistamine'. Osa 2: IoT, koduautomaatika

Samm: OpenHAB -i konfigureerimine

Muutsin OpenHABi konfiguratsiooni, mis oli antud minu varasemas Instructable'is (siin) ja lisatud üksikutesse kirjetesse;

• Garaaž,
• Hall,
• Elutuba,
• Köök
• Külaliste magamistuba
• Suur magamistuba

Saidi kaardil vaadake ülaltoodud pilti 1.

Igale neist kirjetest lisasin individuaalseid saidiplaane, mis paljastasid kohalikke ümbritseva keskkonna väärtusi (vt pilt 2 ülal);

• Temperatuur
• Niiskus
• Soojusindeks

Kaasasin ka lüliti anduri sisse paigaldatud kohaliku LED -i juhtimiseks.

Pildid 3… 5 näitavad individuaalseid reaalajas jälgi 24 tunni jooksul temperatuuri, niiskuse ja RSSI (vastuvõetud signaali tugevuse näitaja, põhimõtteliselt mõõdab, kui hästi andur näeb WiFi -võrku).

Joonisel 6 on näide pikaajalise niiskustrendi kohta nädala jooksul.

Märkus 1: Kui te pole kindel, kuidas OpenHAB -i kasutada, vaadake siit 'OpenHAB -i seadistamine ja seadistamine. Osa 6: IoT, koduautomaatika

Märkus 2: Allpool on toodud koopia muudetud saidiplaanist, reeglite ja üksuste failidest, ikoonidest jne.

Samm: disaini testimine

Enamasti katsetasin IoT -seadet MQTT -ühenduse kaudu MQTT Spy abil, jälgides LED -väljundit ja silumisliiklust jadaliideses. See võimaldas mul kasutada kõiki saadaolevaid tellitud teemasid ja vaadata avaldatud vastuseid. Kuigi see saavutati käsitsi ja muutus kohati pisut tüütuks, võimaldas see 100% ulatuses katvust.

Peamise olekumasina testimine osutus aga pisut keeruliseks, kuna see tugines WiFi -võrgu olemasolule või puudumisele, millele juurdepääs nõuab konkreetseid parameetrikomplekte. Koduvõrgu kasutamine polnud lihtsalt otstarbekas.

Selle probleemi lahendamiseks lõin oma näivvõrkude komplekti, kasutades ESP8266-01, mis oli konfigureeritud juurdepääsupunktidena (pilt 1) ja SSID-d vastavalt „DummyNet1” ja „DummyNet2”. Pildil 2 toodud skeemi kasutamine LED -i kohal andis märku, kas sellega on ühendatud IoT -seade. Kuigi see ei olnud täiuslik testimislahendus (st kõik need näiv WiFi -võrgud ei sisaldanud MQTT -serverit), oli võimalik olekumasinat täielikult testida.

Lisasin allpool koopia lähtekoodist.

8. samm: järeldus

Kindral

IoT -seadmete tarkvara on juba mitu kuud usaldusväärselt töötanud, toibudes leibkonna elektrikatkestustest (peamiselt minu põhjustatud). Üldiselt on need üsna tugevad seadmed, mis annavad järjepidevaid ja täpseid andmeid.

Parandused

Tarkvararutiinide väljatöötamisel SPIFFS -i lugemiseks ja kirjutamiseks kirjutasin ma koodi, mis tagantjärele võib olla pisut arenenum, kui ma kavatsesin, kasutades tühikuid, ümbersõnastamist ja näpunäiteid. Kuigi see on väga paindlik ja teeb tööd hästi, võin järgmisel korral JSON -i kasutada mõnevõrra ConfigFile.ino eeskujul, et see oleks natuke lihtsam.

• Arduino GIT HUB Core

  https://github.com/esp8266/Arduino

• ConfigFile.ino Allikas

  https://github.com/esp8266/Arduino/tree/master/libraries/esp8266/examples/ConfigFile

Soovide nimekiri

Ma tahtsin maakleriga ühenduse loomiseks kasutada mDNS -i klienti, kuid raamatukogu oli liiga nõrk. Seetõttu on vaja määrata MQTT Brokeri IP -aadress, mitte „MQTTSVR.local”. Kui mDNS -i teek peaks tulevikus muutuma stabiilsemaks, lisan selle võimaluse seadmesse.

Oleks olnud tore, kui oleks olemas vahend nii ümbritseva õhu niiskuse täpseks jälgimiseks kui ka kontrollimiseks, mille abil andurid kalibreerida. Kuid see ütles, et valitud kalibreerimismeetod annab head suhtelised näidud ja tundub olevat üsna täpne vastavalt DHT22 andmelehe spetsifikatsioonile.

Lõpuks, arvestades tarkvara keerukust, leidsin koodi täielikku testimist pärast seda, kui suur muutus oli aeganõudev. Võin kaaluda automaatset testimist hiljem.

9. samm: kasutatud viited

Selle juhendi koostamiseks kasutasin järgmisi allikaid;

PubSubClient.h

• Autor: Nick O'Leary
• Siit:

DHT.h

• Autor: Adafruit
• Alates:

DHT22 andmeleht